CN105300597A - 三轴气浮台质心调平衡方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三轴气浮台质心调平衡方法及装置，包括如下步骤：步骤1：利用激光跟踪仪的三维测角值和激光陀螺的角速度变化周期，完成三轴气浮台质心的预调平；步骤2：将三轴气浮台处于水平状态进行飞轮轮控，根据飞轮的轮控转速输出值进行水平方向精调平；步骤3：将三轴气浮台倾斜偏置角度，根据飞轮的轮控转速输出值进行竖直方向精调平。本发明采能够避免了三轴气浮台质量特性不精确引入的误差，可以更准确的计算出偏心量和重力干扰力矩，提高了调节精度，并缩短了调节时间，能够为后续的全物理地面仿真试验提供保障。

Description

三轴气浮台质心调平衡方法及装置

技术领域

本发明涉及刚体动力学和姿态控制，具体地，涉及一种三轴气浮台快速高精度质心调平衡方法及装置。

背景技术

三轴气浮台主要用于模拟零重力、无摩擦的太空环境，实现三轴自由转动，广泛用于航天器的地面全物理仿真试验。为了保证地面仿真试验的有效性，需要保证三轴气浮台的干扰力矩满足任务仿真试验要求。

三轴气浮台的承重部件为气浮球轴承以及仪表平台，气浮球和气浮球窝之间的气膜承载了仪表平台及模拟件的质量，同时保证了气浮球的三轴低摩擦转动。当三轴气浮台的质心和气浮球的球心不重合时，将会产生重力干扰力矩。因此，需要研究一种高精度快速质心调平衡方法，减小三轴气浮台质心和气浮球心的偏量，消除重力干扰力矩影响。

目前关于三轴气浮台质心调平衡的有效方法很少。使用较多的质心调平衡方法是复摆周期法，当气浮台周期较长时试验结果表明其通过陀螺等敏感器件测量的周期量精度不高，满足不了高精度调平衡需求。经文献检索，申请号为200610009797.7，名称为气浮转台外加载荷质心调整装置的发明中，通过调整安装在气浮台上的螺栓螺母机构调整转台的质心，该发明只给出一种调整装置，没有涉及具体调平衡方法。

李延斌、包钢在“三自由度气浮台自动平衡系统动力学建模”(见《中国惯性技术学报》，2005年，13卷第5期，页码83-87)论文中从理论上给出了三轴气浮台自动平衡装置，也没有给出具体的实施方案，难以工程应用。

申请号为200910071536.1，名称为三轴气浮台平衡方法及其装置的发明中，明确说明只适用于三轴气浮台质心水平方向的调整，不适用于垂直方向调整的情况，而大型三轴气浮台的竖直方向的不平衡量在台体姿态控制时也存有较大的分量影响，该发明提出的方案难以满足三轴气浮台全物理仿真试验需求。

本发明提出的基于激光跟踪仪、激光陀螺和飞轮的高精度质心调平衡方法，不依赖于三轴气浮台的质量特性，通过飞轮的转速反馈评估三轴气浮台的重力干扰力矩，进而对偏心量进行补偿，能够快速实现大型三轴气浮台高精度的质心调平衡。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种三轴气浮台质心调平衡方法。本发明提出的基于激光跟踪仪、激光陀螺和飞轮的质心调平衡方法，不依赖于三轴气浮台的质量特性，通过飞轮的转速反馈评估三轴气浮台的重力干扰力矩，进而对偏心量进行补偿，能够快速实现大型三轴气浮台高精度的质心调平衡。

根据本发明的一个方面提供的一种三轴气浮台质心调平衡方法，包括如下步骤：

步骤1：利用激光跟踪仪获得的三维测角值和激光陀螺获得的角速度变化周期，进行三轴气浮台质心的预调平；

步骤2：将三轴气浮台处于水平状态进行飞轮轮控，根据飞轮的轮控转速输出值进行水平方向精调平；

步骤3：将三轴气浮台倾斜偏置角度根据飞轮的轮控转速输出值进行竖直方向精调平。

优选地，所述步骤1包括如下步骤：

步骤1.1：对三轴气浮台进行竖直方向预调平，具体为，让三轴气浮台进行自由摆动，通过激光陀螺获取三轴气浮台的三轴角速度变化周期，并根据三轴角速度变化周期得出三轴气浮台绕X轴和Y轴的摆动周期，

$r_z=\frac{2{\mathrm{\π}}^2}{mg}(\frac{I_x}{{T_x}^2}+\frac{I_y}{{T_y}^2})$

其中，T_x和T_y分别为三轴气浮台绕X轴和Y轴的摆动周期，I_x和I_y分别为三轴气浮台沿X轴和Y轴的转动惯量，r_z为台体的竖直方向偏心量；

步骤1.2：对三轴气浮台进行水平方向预调平，具体为，当三轴气浮台自由摆动时，通过激光跟踪仪获取台体的三轴姿态变化关系，即三维测角值，并记录三轴气浮台绕X轴和Y轴的转角变化，求出转角的峰值和谷值，根据峰值和谷值和步骤1.1计算出竖直方向偏心量，即可计算出三轴气浮台水平方向偏心量：

式中，为三轴气浮台绕X轴转角的峰值和谷值的绝对值之差，Δθ为三轴气浮台绕Y轴转角的峰值和谷值的绝对值之差，r_x和r_y为三轴气浮台在水平方向的偏心量。

优选地，

步骤2.1：将三轴气浮台调至水平，并在水平状态下对台体进行轮控姿态稳定，此时三轴气浮台的姿态动力学方程为：

$I\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}+\mathrm{\ω}\×(I\mathrm{\ω}+J\mathrm{\Ω})+J\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}=T$

其中，ω为三轴气浮台的转动角速度，Ω为三个正交飞轮的转动角速度，I为三轴气浮台的转动惯量，J为三个正交飞轮的转动惯量，T为干扰力矩；为三轴气浮台的转动角加速度；为三个正交飞轮的转动角加速度。

步骤2.2：由于三轴气浮台处于水平状态，竖直方向的偏心不会产生干扰力矩，此时的干扰力矩来源为水平方向上的质心不平衡，从而当姿态稳定时，则

$\begin{array}{cc}{J}_x\stackrel{\·}{{\mathrm{\Ω}}_x}={\mathrm{mgr}}_x& J_y\stackrel{\·}{{\mathrm{\Ω}}_y}={\mathrm{mgr}}_y\end{array}$

式中，r_x为三轴气浮台在X方向的偏心量，r_y分别为三轴气浮台在Y方向的偏心量，m为三轴气浮台的质量，g为重力加速度，J_x为三轴气浮台在X方向的转动惯量，J_y为三轴气浮台在Y方向的转动惯量，为三轴气浮台在X方向的转动角速度，为三轴气浮台在Y方向的转动角速度。

优选地，

所述步骤3具体为，将三轴气浮台绕X轴或Y轴转动角度然后进行姿态稳定，由于已完成了水平方向的精调平衡，当三轴气浮台旋转一定的角度后，三轴气浮台的干扰力矩主要由竖直方向的不平衡量造成，此时三轴气浮台的姿态动力学方程为：

式中，为绕X方向的转角，r_z为三轴气浮台在Z方向的偏心量。

优选地，步骤2之前还包括如下步骤：

-判断三轴气浮台的重力干扰力矩是否小于飞轮的输出力矩；当三轴气浮台的重力干扰力矩是小于飞轮的输出力矩时进入步骤2；当三轴气浮台的重力干扰力矩是大于等于飞轮的输出力矩时重复步骤1。

优选地，步骤3之后还包括如下步骤：

-判断三轴气浮台的重力干扰力矩是否小于目标值；当所述三轴气浮台的重力干扰力矩大于所述目标值时，重复步骤2至步骤3。

根据本发明的另一个方面提供的轴气浮台质心调平衡装置，包括激光跟踪仪、激光陀螺、飞轮

所述激光跟踪仪用于测量三轴气浮台的三轴姿态变化；

所述激光陀螺用于三轴气浮台的角速度变化周期；

所述飞轮用于三轴气浮台的进行姿态稳定。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明采能够避免了三轴气浮台质量特性不精确引入的误差，可以更准确的计算出偏心量和重力干扰力矩，提高了调节精度，并缩短了调节时间，能够为后续的全物理地面仿真试验提供保障。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中三轴气浮台质心调平衡方法的流程图；

图2为本发明中三轴气浮台质心调平衡装置及坐标系定义示意图。

其中，X轴和Y轴为水平轴，Z轴与水平面垂直。

图中：

1为激光跟踪仪；

2为激光跟踪仪靶标；

3为激光陀螺；

4为X方向飞轮；

5为Y方向飞轮；

6为Z方向飞轮。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供的三轴气浮台质心调平衡方法，可计算出三轴气浮台质心相对球心的偏心量，并通过高精度调平衡装置进行补偿，从而消除重力干扰力矩影响。

本发明的技术路线为，当三轴气浮台的重力干扰力矩较大，无法进行轮控时，通过激光跟踪仪和陀螺进行快速预调平，迅速减小三轴气浮台的重力干扰力矩。当重力干扰力矩小于飞轮的输出力矩时，则采用飞轮的转速变化计算三轴气浮台的偏心量，并进行精调平。

在本实施例中，本发明提供的三轴气浮台质心调平衡方法，包括如下步骤：

步骤1：利用激光跟踪仪的三维测角值和激光陀螺的角速度变化周期，完成三轴气浮台质心的预调平；

步骤2：将三轴气浮台处于水平状态进行飞轮轮控，根据飞轮的轮控转速输出值进行水平方向精调平；

步骤3：将三轴气浮台倾斜偏置角度根据飞轮的轮控转速输出值进行竖直方向精调平。

所述步骤1包括如下步骤：

步骤1.1：对三轴气浮台进行竖直方向预调平，具体为，让三轴气浮台进行自由摆动，通过激光陀螺获取三轴气浮台的三轴角速度变化周期，并根据三轴角速度变化周期得出三轴气浮台绕X轴和Y轴的摆动周期，

$r_z=\frac{2{\mathrm{\π}}^2}{mg}(\frac{I_x}{{T_x}^2}+\frac{I_y}{{T_y}^2})$

其中，T_x和T_y分别为三轴气浮台绕X轴和Y轴的摆动周期，I_x和I_y分别为三轴气浮台沿X轴和Y轴的转动惯量，r_z为台体的竖直方向偏心量；

步骤1.2：对三轴气浮台进行水平方向预调平，具体为，当三轴气浮台自由摆动时，通过激光跟踪仪获取台体的三轴姿态变化关系，并记录三轴气浮台绕X轴和Y轴的转角变化，求出转角的峰值和谷值，根据峰值和谷值和步骤1.1计算出竖直方向偏心量，即可计算出三轴气浮台水平方向偏心量：

式中，为三轴气浮台绕X轴转角的峰值和谷值的绝对值之差，Δθ为三轴气浮台绕Y轴转角的峰值和谷值的绝对值之差，r_x和r_y为三轴气浮台在水平方向的偏心量。通过配重块和质心调平衡机构对偏心量进行补偿，可完成预调平衡。

所述步骤2包括如下步骤：

步骤2.1：将三轴气浮台调至水平，并在水平状态下对台体进行轮控姿态稳定，此时三轴气浮台的姿态动力学方程为：

$I\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}+\mathrm{\ω}\×(I\mathrm{\ω}+J\mathrm{\Ω})+J\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}=T$

其中，ω为三轴气浮台的转动角速度，Ω为三个正交飞轮的转动角速度，I为三轴气浮台的转动惯量，J为三个正交飞轮的转动惯量，T为干扰力矩；为三轴气浮台的转动角加速度；为三个正交飞轮的转动角加速度。

步骤2.2：由于三轴气浮台处于水平状态，竖直方向的偏心不会产生干扰力矩，此时的干扰力矩来源为水平方向上的质心不平衡，从而当姿态稳定时，则

$\begin{array}{cc}{J}_x\stackrel{\·}{{\mathrm{\Ω}}_x}={\mathrm{mgr}}_x& J_y\stackrel{\·}{{\mathrm{\Ω}}_y}={\mathrm{mgr}}_y\end{array}$

式中，r_x为三轴气浮台在X方向的偏心量，r_y分别为三轴气浮台在Y方向的偏心量，m三轴气浮台的质量，g为重力加速度，J_x为三轴气浮台在X方向的转动惯量，J_y为三轴气浮台在Y方向的转动惯量，为三轴气浮台在X方向的转动角加速度，为三轴气浮台在Y方向的转动角加速度。

通过质心调平衡机构对偏心量进行补偿，完成三轴气浮台的水平方向精调平衡。从上式可以看出，水平方向的偏心量与飞轮的转速变化率、飞轮转子的转动惯量有关，飞轮的转速变化率可根据飞轮的转速信息拟合得出；而飞轮转子为标准件，标称的转动惯量精度较高，可直接使用。

由于反作用飞轮对干扰力矩的反映灵敏，飞轮本身输出稳定，用反作用飞轮的转速去评估干扰力矩，进而计算偏心量，可提高质心调节的精度。

所述步骤3具体为，将三轴气浮台绕X轴或Y轴转动角度在本实施例中，为2°。然后进行姿态稳定，由于已完成了水平方向的精调平衡，当三轴气浮台旋转一定的角度后，三轴气浮台的干扰力矩主要由竖直方向的不平衡量造成，此时三轴气浮台的姿态动力学方程为：

式中，为绕X方向的转角，r_z为三轴气浮台在Z方向的偏心量。根据上式即可算出竖直方向上的偏心量。通过质心调平衡机构对偏心量进行补偿，完成三轴气浮台的竖直方向精调平衡。

步骤2之前还包括如下步骤：

-判断三轴气浮台的重力干扰力矩是否小于飞轮的输出力矩；当三轴气浮台的重力干扰力矩是小于飞轮的输出力矩时进入步骤2；当三轴气浮台的重力干扰力矩是大于等于飞轮的输出力矩时重复步骤1。

对三轴气浮台进行竖直方向精调平。当三轴气浮台处于水平状态时，竖直方向的偏心量不会产生干扰力矩，因此无法在水平状态下对三轴气浮台的竖直偏心量进行评估。在进行竖直方向精调平时，先将三轴气浮台比如绕X轴转动一定的角度2度，并在此状态下进行姿态稳定。由于此前已完成了水平方向的精调平衡，当三轴气浮台旋转一定的角度后，三轴气浮台的干扰力矩主要由竖直方向的不平衡量造成，同理，三轴气浮台绕Y方向旋转一定的角度，按照上述方法，也可求出三轴气浮台竖直方向上的偏心量。

歩骤3之后还包括如下步骤：

-判断三轴气浮台的重力干扰力矩是否小于目标值；当所述三轴气浮台的重力干扰力矩大于所述目标值时，重复步骤2至步骤3。

本发明提供的轴气浮台质心调平衡装置，其特征在于，包括激光跟踪仪、激光陀螺、飞轮

所述激光跟踪仪用于测量三轴气浮台的三轴姿态变化；

所述激光陀螺用于三轴气浮台的角速度变化周期；

所述飞轮用于三轴气浮台的进行姿态稳定。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种三轴气浮台质心调平衡方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：利用激光跟踪仪获得的三维测角值和激光陀螺获得的角速度变化周期，进行三轴气浮台质心的预调平；

步骤2：将三轴气浮台处于水平状态进行飞轮轮控，根据飞轮的轮控转速输出值进行水平方向精调平；

步骤3：将三轴气浮台倾斜偏置角度根据飞轮的轮控转速输出值进行竖直方向精调平。

2.根据权利要求1所述的三轴气浮台质心调平衡方法，其特征在于，所述步骤1包括如下步骤：

步骤1.1：对三轴气浮台进行竖直方向预调平，具体为，让三轴气浮台进行自由摆动，通过激光陀螺获取三轴气浮台的三轴角速度变化周期，并根据三轴角速度变化周期得出三轴气浮台绕X轴和Y轴的摆动周期，

$r_z=\frac{2{\mathrm{\π}}^2}{mg}(\frac{I_x}{{T_x}^2}+\frac{I_y}{{T_y}^2})$

其中，T_x和T_y分别为三轴气浮台绕X轴和Y轴的摆动周期，I_x和I_y分别为三轴气浮台沿X轴和Y轴的转动惯量，r_z为台体的竖直方向偏心量；

步骤1.2：对三轴气浮台进行水平方向预调平，具体为，当三轴气浮台自由摆动时，通过激光跟踪仪获取台体的三轴姿态变化关系，即三维测角值，并记录三轴气浮台绕X轴和Y轴的转角变化，求出转角的峰值和谷值，根据峰值和谷值和步骤1.1计算出竖直方向偏心量，即可计算出三轴气浮台水平方向偏心量：

式中，为三轴气浮台绕X轴转角的峰值和谷值的绝对值之差，Δθ为三轴气浮台绕Y轴转角的峰值和谷值的绝对值之差，r_x和r_y为三轴气浮台在水平方向的偏心量。

3.根据权利要求2所述的三轴气浮台质心调平衡方法，其特征在于，

步骤2.1：将三轴气浮台调至水平，并在水平状态下对台体进行轮控姿态稳定，此时三轴气浮台的姿态动力学方程为：

$I\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}+\mathrm{\ω}\×(I\mathrm{\ω}+J\mathrm{\Ω})+J\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}=T$

其中，ω为三轴气浮台的转动角速度，Ω为三个正交飞轮的转动角速度，I为三轴气浮台的转动惯量，J为三个正交飞轮的转动惯量，T为干扰力矩；为三轴气浮台的转动角加速度；为三个正交飞轮的转动角加速度。

步骤2.2：由于三轴气浮台处于水平状态，竖直方向的偏心不会产生干扰力矩，此时的干扰力矩来源为水平方向上的质心不平衡，从而当姿态稳定时，则

$\begin{array}{cc}{J}_x{\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}}_x={\mathrm{mgr}}_x& J_y{\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}}_y={\mathrm{mgr}}_y\end{array}$

式中，r_x为三轴气浮台在X方向的偏心量，r_y分别为三轴气浮台在Y方向的偏心量，m为三轴气浮台的质量，g为重力加速度，J_x为三轴气浮台在X方向的转动惯量，J_y为三轴气浮台在Y方向的转动惯量，为三轴气浮台在X方向的转动角速度，为三轴气浮台在Y方向的转动角速度。

4.根据权利要求3所述的三轴气浮台质心调平衡方法，其特征在于，

所述步骤3具体为，将三轴气浮台绕X轴或Y轴转动角度然后进行姿态稳定，由于已完成了水平方向的精调平衡，当三轴气浮台旋转一定的角度后，三轴气浮台的干扰力矩主要由竖直方向的不平衡量造成，此时三轴气浮台的姿态动力学方程为：

式中，为绕X方向的转角，r_z为三轴气浮台在Z方向的偏心量。

5.根据权利要求1所述的三轴气浮台质心调平衡方法，其特征在于，步骤2之前还包括如下步骤：

-判断三轴气浮台的重力干扰力矩是否小于飞轮的输出力矩；当三轴气浮台的重力干扰力矩是小于飞轮的输出力矩时进入步骤2；当三轴气浮台的重力干扰力矩是大于等于飞轮的输出力矩时重复步骤1。

6.根据权利要求1所述的三轴气浮台质心调平衡方法，其特征在于，步骤3之后还包括如下步骤：

-判断三轴气浮台的重力干扰力矩是否小于目标值；当所述三轴气浮台的重力干扰力矩大于所述目标值时，重复步骤2至步骤3。

7.一种轴气浮台质心调平衡装置，其特征在于，包括激光跟踪仪、激光陀螺、飞轮

所述激光跟踪仪用于测量三轴气浮台的三轴姿态变化；

所述激光陀螺用于三轴气浮台的角速度变化周期；

所述飞轮用于三轴气浮台的进行姿态稳定。